周楷淼 陳 良 林泓翰 李山峰 趙 康 陳雙濤 侯 予*

(1 西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 710049 西安)

(2 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 100074 北京)

1 引言

氦透平膨脹機(jī)可以滿足深低溫(20 K 以下)的大冷量需求,已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用于大科學(xué)裝置中以提供低溫環(huán)境,例如核聚變托卡馬克[1-2]、質(zhì)子加速器[3]和超導(dǎo)系統(tǒng)[4]等。除此之外,氦透平膨脹機(jī)還被用在液化裝置中以液化沸點(diǎn)極低的氣體,例如氦氣[5]和氫氣[6]。氦透平膨脹機(jī)是深低溫裝置中制冷的核心部件,對設(shè)備的效率和可靠性有重要影響。

透平膨脹機(jī)的工作原理是利用工質(zhì)流動的速度變化將工質(zhì)的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為軸功輸出,降低工質(zhì)自身的溫度[7]。由于氦氣是沸點(diǎn)最低的氣體(4.2 K),氦透平膨脹機(jī)實(shí)驗(yàn)和性能測試的主要難點(diǎn)在于對低溫環(huán)境的需求。采用液氮預(yù)冷可以達(dá)到80 K 溫區(qū),而極低溫環(huán)境一般由膨脹機(jī)自身冷量提供[8]。

氦透平膨脹機(jī)的研究在國內(nèi)外受到廣泛關(guān)注。在實(shí)驗(yàn)研究方面,中國科學(xué)院理化所孫郁等為中國散裂中子源裝置(CSNC)測試了一臺99 g/s 的氦透平膨脹機(jī),進(jìn)口溫度和壓力分別為23.97 K 和6.34 ×105Pa,效率72%[3];中國科學(xué)院等離子所張啟勇等為EAST 系統(tǒng)測試的氦透平膨脹機(jī)流量達(dá)到114.6 g/s,進(jìn)口溫度和壓力分別為20.52K 和5.53 ×105Pa,效率61.17%[9]。Jadhav 等通過實(shí)驗(yàn)對比測試兩臺43 g/s 的氦透平膨脹機(jī),擇優(yōu)用于氦液化裝置[5]。Ke 等通過測試研究了設(shè)計流量18.62 g/s 的氦透平膨脹機(jī)不同定制動功率下的降溫過程[10]。而隨著大科學(xué)裝置和大型液化設(shè)備的發(fā)展,對應(yīng)氦透平膨脹機(jī)的流量和冷量也越來越大。

為測試一臺由西安交通大學(xué)和北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所聯(lián)合研發(fā)的2 t/d 氫液化系統(tǒng)用氦透平膨脹機(jī),本研究設(shè)計和搭建了一個流量范圍廣、適合于大流量工況的低溫實(shí)驗(yàn)臺,測試溫度為常溫到液氫溫區(qū);進(jìn)一步對透平膨脹機(jī)開展了初步實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)臺適用性,并獲得了深低溫氦透平膨脹機(jī)的降溫特性。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置方案

圖1 顯示了低溫氦透平膨脹機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺的流程圖。該實(shí)驗(yàn)平臺主要由5 個部分組成:氦氣供氣系統(tǒng)、冷箱單元(含液氮預(yù)冷系統(tǒng)和膨脹機(jī)系統(tǒng))、制動風(fēng)機(jī)閉式循環(huán)系統(tǒng)和軸承氣系統(tǒng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of test rig system

低溫氦透平膨脹機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺的主要目的是提供膨脹機(jī)運(yùn)行工況下的低溫環(huán)境,在本設(shè)計中通過冷箱單元內(nèi)的液氮預(yù)冷系統(tǒng)和膨脹機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。液氮預(yù)冷系統(tǒng)將來流氦氣預(yù)冷至80 K 溫區(qū),更低溫區(qū)的冷量則由膨脹機(jī)自身提供。冷箱單元中包括膨脹機(jī)和兩臺低溫?fù)Q熱器,膨脹機(jī)進(jìn)出口氦氣在此換熱,即利用膨脹機(jī)自身冷量創(chuàng)造低溫環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)測試中,可根據(jù)實(shí)際情況選擇是否啟用液氮預(yù)冷系統(tǒng),如測試膨脹機(jī)常溫至低溫過程降溫性能,則無需使用液氮預(yù)冷。冷箱換熱器中還配備有加熱器,以實(shí)現(xiàn)控制、調(diào)節(jié)和維持膨脹機(jī)測試點(diǎn)的溫度狀態(tài)。

冷箱外單元主要是為冷箱單元提供潔凈、可靠的壓力氣源。在氦氣供氣系統(tǒng)中,氦氣源和系統(tǒng)回收氦氣經(jīng)螺桿壓縮機(jī)升壓和過濾后,可滿足450 g/s 流量、最高壓力1.1 MPa 的氦低溫透平膨脹機(jī)的測試需求。對于采用制動風(fēng)機(jī)制動的氦透平膨脹機(jī),本試驗(yàn)臺將制動風(fēng)機(jī)進(jìn)出口連接成一個循環(huán),減少氦氣的消耗。制動風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中包含一個水冷換熱器,以帶走產(chǎn)生的熱量,使制動風(fēng)機(jī)的進(jìn)口溫度可以維持在環(huán)境溫度;壓力控制方面,制動風(fēng)機(jī)回路的流道很長,可用作緩沖器,以保持壓力穩(wěn)定;還配備一個排空閥以調(diào)節(jié)壓力。軸承供氣系統(tǒng)則是為膨脹機(jī)提供穩(wěn)定的軸承氣和密封氣,進(jìn)出口壓力通過調(diào)節(jié)閥閥控制。

低溫氦透平膨脹機(jī)實(shí)驗(yàn)臺性能測試包括溫度、壓力、流量和轉(zhuǎn)速等。溫度采用電阻溫度傳感器測量,量程為4—340 K,最大測量誤差為±0.3 K;壓力采用壓力變送器測量,量程為0—1.6 MPa,測量精度為0.075%F.S;轉(zhuǎn)速采用磁電傳感器測量,量程為1.5 ×103—210 ×103r/min,測量精度為0.005%F.S;流量采用質(zhì)量流量計測量,量程為0—620 g/s,測量精度為2.5% F.S。低溫氦透平膨脹機(jī)實(shí)驗(yàn)臺如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺實(shí)景圖Fig.2 Scene photograph of test rig

3 氦透平膨脹機(jī)測試方案

3.1 測試對象

在搭建的氦低溫透平膨脹機(jī)綜合性能測試平臺上對一臺深低溫氦透平膨脹機(jī)的降溫性能進(jìn)行了測試,膨脹機(jī)設(shè)計參數(shù)如表1 所示。該低溫氦透平膨脹機(jī)應(yīng)用于基于氦逆布雷頓循環(huán)的2 t/d 的氫氣液化裝置中,液化系統(tǒng)簡化流程圖如圖3 所示。測試的是氫液化系統(tǒng)中的第一級氦透平膨脹機(jī)。該膨脹機(jī)使用氣體軸承,徑向?yàn)椴瑒訅狠S承、止推為小孔供氣靜壓軸承,膨脹機(jī)主機(jī)如圖4 所示。

表1 氦透平膨脹機(jī)設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of helium turbo-expander

圖3 基于氦逆布雷頓循環(huán)的2t/d 氫氣液化裝置流程圖Fig.3 Flow chart of a 2 t/d hydrogen liquefaction plant based on helium reserve Brayton cycle

圖4 被測氦低溫透平膨脹機(jī)Fig.4 Tested helium cryogenic turbo-expander

3.2 測試方案

本測試目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)氦透平膨脹機(jī)從常溫利用自身冷量降溫至設(shè)計溫度,并測試整個降溫過程中透平膨脹機(jī)的性能特性。由于氦透平膨脹機(jī)的設(shè)計參數(shù)中壓力較高,對應(yīng)設(shè)計點(diǎn)的制動風(fēng)機(jī)進(jìn)氣壓力為0.68 MPa,若采用定制動功率的控制方法,即制動壓力和轉(zhuǎn)速均保持在設(shè)計點(diǎn),則會引起膨脹機(jī)軸向力過大和效率過低的問題[11]。因此,本測試方案采用變制動壓力的方法,即在降溫過程中,隨著膨脹機(jī)進(jìn)出口壓力升高、進(jìn)口溫度降低,逐漸升高制動壓力。

增大膨脹機(jī)入口壓力會提高轉(zhuǎn)速,而增大膨脹機(jī)出口壓力、降低膨脹機(jī)入口溫度或增大制動鼓風(fēng)機(jī)壓力都會降低轉(zhuǎn)速[11]?？紤]到實(shí)際情況和操作難度,膨脹機(jī)降溫過程分為以下3 個階段:啟動階段、穩(wěn)定冷卻增壓階段和工況實(shí)驗(yàn)階段。

啟動階段:制動風(fēng)機(jī)的進(jìn)口壓力在啟動時設(shè)置為0.26 MPa,既可防止壓力過高時軸向力過大,又同時防止壓力過低時膨脹機(jī)超速;隨著膨脹機(jī)進(jìn)口壓力逐漸升高,膨脹機(jī)速度達(dá)到設(shè)計值69 000 r/min。

穩(wěn)定冷卻增壓階段:達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后,膨脹機(jī)進(jìn)口壓力仍未達(dá)到設(shè)計點(diǎn),需調(diào)節(jié)背壓和膨脹機(jī)進(jìn)出口壓力,同步升高膨脹機(jī)制動壓力,控制膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)計值附近,直至降溫至設(shè)計溫度。

工況實(shí)驗(yàn)階段:當(dāng)膨脹機(jī)的進(jìn)口溫度經(jīng)自冷冷至設(shè)計溫度后,膨脹機(jī)的冷量是大于冷卻進(jìn)口氣流所需的,此時需要啟動加熱器反饋,使膨脹機(jī)進(jìn)口溫度和壓力穩(wěn)定在設(shè)計值,進(jìn)行設(shè)計工況實(shí)驗(yàn)。

4 測試結(jié)果

在搭建的低溫氦透平膨脹機(jī)實(shí)驗(yàn)臺上,對這臺氦透平膨脹機(jī)完成了多次測試,實(shí)現(xiàn)了膨脹機(jī)利用自身冷量從常溫降低到設(shè)計溫度的全過程。

膨脹機(jī)啟動時長為36 min,調(diào)節(jié)背壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時間為52 min。如圖5 所示,膨脹機(jī)進(jìn)口溫度歷時378 min 從278.2 K 降低至設(shè)計點(diǎn)48.9 K。在啟動和控制加熱器后,進(jìn)口溫度維持該溫度點(diǎn)附近。膨脹機(jī)流量隨溫度降低和壓力升高而增長,最大流量達(dá)到333.3 g/s。實(shí)驗(yàn)臺冷箱絕熱效果好、換熱器效率高、透平膨脹機(jī)運(yùn)行高效穩(wěn)定,保障了系統(tǒng)的高效運(yùn)行,也充分體現(xiàn)了透平膨脹機(jī)在大冷量快速制冷方面的優(yōu)勢。

圖5 膨脹機(jī)進(jìn)出口溫度及流量變化Fig.5 Variations of expander inlet and outlet temperatures and flow rate

實(shí)驗(yàn)過程中,采用變制動壓力和同步調(diào)節(jié)膨脹機(jī)進(jìn)出口壓力與背壓的控制方法,膨脹機(jī)始終保持在設(shè)計轉(zhuǎn)速附近,如圖6 所示。在100 min 左右,通過壓力控制方法提升膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速,超速最高達(dá)72 995 r/min,膨脹機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),驗(yàn)證了氦氣體軸承高速透平的可靠性。膨脹機(jī)達(dá)到設(shè)計工況后,控制膨脹機(jī)進(jìn)口壓力,保障膨脹機(jī)在低溫設(shè)計工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖6 膨脹機(jī)進(jìn)出口壓力及制動壓力變化Fig.6 Variations of expander inlet and outlet pressures and brake pressure

由于被測氦透平膨脹機(jī)膨脹側(cè)和風(fēng)機(jī)側(cè)的壓力高,變化范圍大,軸向力在變工況條件下變化較大。實(shí)驗(yàn)中曾出現(xiàn)在啟動階段,制動壓力過低時膨脹機(jī)超速,以及過高時膨脹機(jī)軸向力過大無法啟動的情況。在降溫過程中,制動壓力不合適也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定。因此,區(qū)別于傳統(tǒng)的定制動壓力的方法,本實(shí)驗(yàn)采用了變制動壓力的控制方法。制動壓力控制在膨脹側(cè)進(jìn)出口壓力之間,實(shí)現(xiàn)了變工況運(yùn)行。變制動壓力的控制方法被證實(shí)在控制低溫氦透平膨脹機(jī)大范圍穩(wěn)定降溫時,具有可行性。

特性比,即工作輪輪緣速度與膨脹機(jī)等熵速度之比,是膨脹機(jī)的一個重要設(shè)計參數(shù)[12]。由于氦氣透平膨脹機(jī)高溫區(qū)焓降遠(yuǎn)高于低溫區(qū),當(dāng)轉(zhuǎn)速基本維持不變時,隨著溫度降低、膨脹機(jī)等熵速度減小,特性比逐漸增大。在膨脹機(jī)進(jìn)口溫度達(dá)到設(shè)計溫度時,膨脹機(jī)的特性比靠近設(shè)計值。膨脹機(jī)效率隨特征比的變化如圖7 所示,膨脹機(jī)效率隨特性比增大而升高,當(dāng)特性比達(dá)到0.672 時,出現(xiàn)最大效率點(diǎn)78.83%;過此點(diǎn)后,膨脹機(jī)效率有所降低。在本研究中,氦透平膨脹機(jī)的特征比的設(shè)計值為0.665、設(shè)計效率79.3%,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。

圖7 效率與特性比關(guān)系Fig.7 Relationship between efficiency and characteristic ratio

5 結(jié)論

論文搭建了大流量深低溫氦透平膨脹機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺,并在該實(shí)驗(yàn)臺上對一臺2 t/d 氫液化系統(tǒng)用氣體軸承氦透平膨脹機(jī)的機(jī)械性能及熱力性能展開了初步實(shí)驗(yàn),得到以下結(jié)論:

(1)氦透平膨脹機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺運(yùn)行情況良好,可實(shí)現(xiàn)大流量、深低溫區(qū)的氦透平膨脹機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試,為中國大型氫液化裝置的研制提供了良好的測試條件。

(2)自主設(shè)計研發(fā)的氦氣體軸承透平膨脹機(jī)性能優(yōu)異,最高轉(zhuǎn)速可達(dá)72 900 r/min,流量333.3 g/s,最高等熵效率78.83%。

(3)氦透平膨脹機(jī)大溫區(qū)跨度下的變工況實(shí)驗(yàn),難度較大。本實(shí)驗(yàn)中采用了變制動壓力的控制方法,實(shí)現(xiàn)了全溫區(qū)設(shè)計轉(zhuǎn)速(69 000 r/min)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),用時378 min 從常溫快速降溫至設(shè)計溫度,實(shí)現(xiàn)大流量和大冷量的功能。

(4)透平膨脹機(jī)特性比與等熵效率關(guān)系圖驗(yàn)證了該深低溫、大流量透平膨脹機(jī)設(shè)計的正確性和先進(jìn)性,為2 t/d 的氫氣液化裝置的實(shí)現(xiàn)和高效運(yùn)行提供了保障。